Konstruktion eines Glasfaser-Rastertunnelmikroskops für die optische Untersuchung von Oberflächen auf atomaren Längenskalen

• Antragsteller: Professor Dr. Niklas Nilius
• Fachliche Zuordnung: Physikalische Chemie von Festkörpern und Oberflächen, Materialcharakterisierung ; Experimentelle Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung seit 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 446341911

Zwei Messmethoden haben sich in den vergangenen Jahren etabliert, um optische Eigenschaften von Oberflächen auf einer Nanoskala zu vermessen, die Lumineszenz-Spektroskopie mit Hilfe eines Rastertunnelmikroskops (STM-LE) und die optische Nahfeld-Mikroskopie (SNOM). STM-LE probt hierbei die Lichtemission von Oberflächen nach einer lokalen elektronischen Anregung mit der Tunnelspitze, während es sich bei SNOM um eine rein optische Technik handelt. Beide Methoden bringen eine Reihe von Nachteilen mit sich, bei STM-LE ist es die notorisch geringe Emissionsrate, bei SNOM das begrenzte, räumliche Auflösungsvermögen im Bereich einiger 10-nm. Der hier vorgeschlagene, neue Ansatz vereinigt Stärken beider Methoden, indem er die konventionelle Metallspitze eines STMs mit einer Glasfaserspitze ersetzt. Durch eine kontrollierte Metallisierung des Spitzenapex kann eine hoch-lokale Plasmonenquelle zum Abrastern der Oberfläche generiert werden. Die leitfähige Faserspitze erlaubt gleichzeitig eine Abstandskontrolle zur Probe basierend auf dem quantenmechanischen Tunnelstrom, und ermöglicht somit ein räumliches Auflösungsvermögen im atomaren Bereich. Mit einem ersten Testaufbau wurde die Eignung des neuen Faser-STMs nachgewiesen, nanoskalige Strukturen auf Oberflächen aufzulösen. Gleichzeitig konnten im optischen Kanal Variationen in der lokalen Photonen-Emission mit sub-nm räumlicher Auflösung detektiert werden. Unser Testaufbau wurde erfolgreich zur Untersuchung von plasmonischen Eigenschaften einzelner Silber-Nanoteilchen auf dielektrischen und metallischen Oberflächen eingesetzt.Mit Hilfe dieses Forschungsantrag soll unser ‚proof-of-principle’ Experiment zu einem vollwertigen, wissenschaftlichen Instrument ausgebaut werden. Das neue Gerät wird in der Lage sein, die lokalen optischen Eigenschaften von Oberflächen direkt mit deren atomarer Struktur zu verknüpfen. Der Ansatz erlaubt die Beantwortung hochaktueller wissenschaftlicher Fragestellungen auf den Gebieten Oberflächenphysik und –chemie, zum Beispiel zum Einfluss der lokalen, atomaren Umgebung auf die Emissionseigenschaften isolierter Defekte, Fremdatome oder Farbzentren in dielektrischen Filmen oder zur Bestimmung der optischen Signatur einzelner Nanopartikel und Moleküle auf Oberflächen. Zusätzlich können lichtgetriebene Energietransferprozesse, z.B. nach optischer Stimulation eines photoaktiven Moleküls, im Experiment adressiert werden. Auf einer längeren Zeitskale ist die Erweiterung des Instruments zur Durchführung zeitaufgelöster, optischer Experimente geplant.

• DFG-Verfahren: Neue Geräte für die Forschung
• Großgeräte: Scanning electronics for STM
• Gerätegruppe: 5091 Rasterkraft-Mikroskope